Методы измерения солнечной радиации с помощью пиргелиометра и пиранометра

Все мы знаем, что жизнь на Земле поддерживается благодаря солнцу, так как оно обеспечивает достаточно тепловой энергии, чтобы поддерживать землю в тепле. Эта энергия доставляется Солнцем в виде электромагнитного излучения, которое обычно называют солнечным излучением. Часть излучения полезна для людей, а другая часть излучения вредна для всей жизни.

Чтобы достичь солнечного излучения на поверхности Земли, оно должно пройти через атмосферу, где оно поглощается, рассеивается, отражается и передается, что приводит к уменьшению плотности потока энергии. Это сокращение очень существенно, поскольку в солнечный день происходит потеря более 30%, а в пасмурный день она достигает 90%. Таким образом, максимальное излучение, которое достигает поверхности Земли через атмосферу, никогда не будет превышать 80%.

Солнечный поток очень важно измерить, поскольку он является основой жизни на Земле и используется при создании многих продуктов, связанных с электроникой, урожаем, лекарствами, косметикой и т. Д. В этом уроке мы узнаем о солнечном излучении и его влиянии. измерения, а также узнают о двух самых популярных приборах для измерения солнечной энергии - пиргелиометре и пиранометре.

Пучковое и диффузное излучение.

Излучение, которое мы воспринимаем на поверхности, представляет собой как прямое, так и непрямое излучение солнца. Излучение, которое исходит непосредственно от солнца, является прямым излучением и называется лучевым излучением. Рассеянное и отраженное излучение, которое направляется к поверхности земли со всех сторон (отраженное от молекул, частиц, тел животных и т. Д.), Является непрямым излучением и называется диффузным излучением. И сумма обоих, пучка и рассеянного излучения, определяется как глобальное излучение или общее излучение.

Важно различать пучковое излучение и диффузное излучение, потому что пучковое излучение может быть сконцентрировано, а диффузное - нет. Существует множество приборов для измерения солнечного излучения, которые используются для измерения лучевого излучения и рассеянного излучения.

Теперь давайте посмотрим на спектр электромагнитного излучения на диаграмме ниже.

Во всем спектре мы учитываем только длины волн от УФ-лучей до ИК-лучей для расчета солнечного потока, потому что большинство высокочастотных волн от Солнца не достигают поверхности, а низкочастотное излучение после ИК не является надежным. Таким образом, солнечное излучение или поток обычно измеряется от УФ-лучей до ИК-лучей, и инструменты также сконструированы таким образом.

Приборы для измерения солнечной радиации бывают двух типов:

Пиргелиометр
Пиранометр

Прежде чем приступить к работе с этими инструментами, вам необходимо понять несколько концепций, которые используются при проектировании устройств. Итак, теперь давайте рассмотрим эти концепции.

Излучение черного тела

Черное тело обычно поглощает все излучения, не испуская ничего обратно в атмосферу, и более чистое черное тело более совершенное поглощение. Дело в том, что до сих пор не было идеального черного тела, поэтому мы обычно соглашаемся на второе место. После того, как черное тело поглощает излучение, оно нагревается, так как само излучение является энергией, а после поглощения атомы в теле выходят из него. Это черное тело используется в качестве основного компонента в приборах для измерения солнечного излучения. В отличие от черного тела, белое тело отражает все падающее на него излучение обратно в атмосферу, поэтому летом нам будет удобнее носить белую одежду.

Термопара

Термопара - это простое устройство, состоящее из двух проводов из разного материала, как показано на рисунке.

Здесь два провода соединены, образуя петлю с двумя соединениями, которые обозначены как «A» и «B». Теперь свечу подносят к перекрестку «А», а перекресток «В» не трогают. Когда свеча находится в точке соединения «A», его температура значительно повышается, в то время как соединение B остается холодным при комнатной температуре. Из-за этой разницы температур на стыках появляется напряжение (разность потенциалов) в соответствии с « эффектом Зеебека». Поскольку цепь замкнута, через нее течет ток I, как показано на рисунке, и для измерения этого тока мы подключим амперметр последовательно. Важно помнить, что величина тока I в контуре прямо пропорциональна разнице температур.на переходах, поэтому более высокая разница температур приводит к более высокой величине тока. Таким образом, по показаниям амперметра мы можем рассчитать разницу температур на стыках.

Теперь, после того, как мы познакомились с основами, давайте рассмотрим устройство и работу приборов для измерения солнечного излучения.

Работа и строительство пиргелиометра

Пиргелиометр - это устройство, используемое для измерения излучения прямым пучком при нормальном падении. Его внешняя структура выглядит как длинная труба, проецирующая изображение телескопа, и нам нужно направить линзу на солнце, чтобы измерить яркость. Здесь мы узнаем принцип работы пиргелиометра и его конструкцию.

Чтобы понять базовую структуру пиргелиометра, посмотрите на схему, показанную ниже.

Здесь линза направлена к солнцу, и излучение будет проходить через линзу, трубку и в конце падать на черный объект, находящийся внизу. Теперь, если мы перерисуем всю внутреннюю структуру и схему более простым способом, это будет выглядеть примерно так, как показано ниже.

В схеме видно, что черное тело поглощает излучение, падающее из линзы, и, как обсуждалось ранее, идеальное черное тело полностью поглощает любое падающее на него излучение, поэтому излучение, попадающее в трубку, полностью поглощается черным объектом. Как только излучение поглощается, атомы в теле возбуждаются из-за повышения температуры всего тела. Это повышение температуры также будет испытывать спай термопары «А». Теперь, когда соединение «A» термопары при высокой температуре и соединение «B» при низкой температуре, в его контуре протекает ток, как описано в принципе работы термопары. Этот ток в контуре также будет протекать через гальванометр, включенный последовательно, вызывая тем самым его отклонение. Этототклонение пропорционально току, который, в свою очередь, пропорционален разности температур на стыках.

Отклонение ∝ Ток в контуре ∝ Разница температур на стыках.

Теперь попробуем свести на нет это отклонение в гальванометре с помощью схемы. Полный процесс устранения отклонения описан ниже шаг за шагом.

Сначала замкните выключатель в цепи для запуска электрического тока.
Ток течет как,

Батарея -> Переключатель -> Металлический провод -> Амперметр -> Переменный резистор -> Батарея.

Благодаря этому току, протекающему по металлическому проводнику, его температура в определенной степени повышается.
При контакте с металлическим проводником температура перехода «В» также повышается. Это уменьшает разницу температур между переходом «A» и переходом «B».
Из-за уменьшения разницы температур ток в термопаре также уменьшается.
Поскольку отклонение пропорционально току, отклонение гальванометра также уменьшается.
Подводя итог, мы можем сказать: отклонение гальванометра можно уменьшить, регулируя реостат для изменения тока в металлическом проводнике.

Теперь продолжайте регулировать реостат до тех пор, пока отклонение гальванометра не исчезнет полностью. Как только это произойдет, мы сможем получить показания напряжения и тока со счетчиков и выполнить простой расчет для определения тепла, поглощаемого черным телом. Это вычисленное значение может использоваться для определения излучения, поскольку тепло, выделяемое черным телом, прямо пропорционально излучению. Эта величина излучения есть не что иное, как прямое солнечное излучение, которое мы хотим измерять с самого начала. На этом можно закончить работу пиргелиометра.

Работа и конструкция пиранометра

Пиранометр - это устройство, которое можно использовать для измерения как пучкового, так и диффузного излучения. Другими словами, он используется для измерения общего полусферического излучения (пучок плюс рассеянный на горизонтальной поверхности). Здесь мы узнаем о принципе работы пиранометра и его конструкции.

Устройство выглядит как блюдце НЛО, форма которого лучше всего подходит для его целей. Это устройство более популярно, чем другие, и большинство данных о солнечных ресурсах в настоящее время измеряются с его помощью. Ниже вы можете увидеть исходное изображение и внутреннюю структуру пиранометра.

Взаимодействие с другими людьми

Здесь излучение окружающей атмосферы проходит через стеклянный купол и падает на черное тело, расположенное в центре прибора. Как и раньше, температура тела повышается после поглощения всего излучения, и это повышение также будет ощущаться цепью термопары или модулем термопары, находящимся непосредственно под черным телом. Таким образом, одна сторона модуля будет горячей, а другая - холодной из-за радиатора. Модуль термопары генерирует напряжение, которое можно увидеть на выходных клеммах. Это напряжение, получаемое на выходных клеммах, прямо пропорционально разнице температур по принципу термопары.

Поскольку мы знаем, что разница температур связана с излучением, поглощаемым черным телом, мы можем сказать, что выходное напряжение линейно пропорционально излучению.

Как и в предыдущем расчете, значение общего излучения можно легко получить из этого значения напряжения. Также, используя тени и следуя той же процедуре, мы также можем получить диффузное излучение. С помощью значения общего излучения и диффузного излучения можно также рассчитать значение излучения пучка. Следовательно, мы можем рассчитать как рассеянную солнечную радиацию, так и общую радиацию с помощью пиранометра.